iOS签名机制挺复杂，各种证书，Provisioning Profile, entitlements, CertificateSigningRequest, p12, AppID, 概念一堆，很容易出错。本文尝试从原理出发，一步步推出为什么会有这么多概念，希望能有助于理解iOS App签名的原理和流程。
目的
先来看看苹果的签名机制是为了做什么。在iOS出来之前，在主流操作系统（mac、windows、linux）上开发和运行软件是不需要签名的，软件随便在哪里下载都可以运行，导致平台对第三方软件难以控制、盗版横行。苹果希望解决这样的问题，在iOS平台对第三方APP有绝对的控制权，一定要保证每一个安装到iOS的APP都是经过苹果允许的，怎么保证呢？就是通过签名机制。
非对称加密
通常我们说的签名就是数字签名，他是基于非对称加密算法实现的。对称加密是通过同一份密钥加密和解密数据，而非对称加密则有两份密钥，分别是公钥和私钥，用公钥加密的数据要用私钥才能解密，用私钥加密的数据要用公钥才能解密。
简单说一下常用的非对称加密算法RSA的数学原理，理解简单的数学原理，就可以理解非对称加密是怎么做到的，为什么是安全的：
- 选两个质数p和q，相乘得出一个大整数n，例如p=61，q=53， n=pq=3233
- 选1-n中任意一个质数e，例如e=17
- 经过一系列数学运算，算出一个数字d，满足：
a. 通过n和e这两个数据进行数学运算后，可以通过n和d 去反解运算，反过来也可以。
b. 如果只知道n和e，要推导出d，需要知道p和q，也就是需要把n因式分解。
上述的（n,e）这两个数据在一起就是公钥，（n,d）这两个数据在一起就是私钥，满足用私钥加密、公钥解密，或者公钥加密、私钥解密，也满足只暴露公钥（只知道n和e）的情况下，要推导出私钥（n,d），需要将大整数n因式分解。目前因式分解只能用暴力穷举，而n的数字越大，越难以用穷举计算出因数p和q,也就越安全，当n大到二进制的1024位或2048位时，以目前的技术要破解几乎不可能，所以非常安全。
数字签名
现在知道了有非对称加密这东西，那数字签名是怎么回事呢？
数字签名的作用是我对某一份数据打个标记，表示我认可了这份数据（签了个名），然后我发送给其他人，其他人可以知道这份数据是经过我认证的，数据没有被篡改过。
有了上述非对称加密算法，就可以实现这个需求：
首先用一种算法算出原始数据的摘要。需满足：
a. 若原始数据有任何变化，计算出来的摘要值都会变化；
b. 摘要要足够短。这里常用的算法是MD5。生成一份非对称加密的公钥和私钥，私钥我自己拿着，公钥发布出去。
对一份数据，算出摘要后，用私钥加密这个摘要，得到一个加密后的数据，称为原始数据的签名。把它和原始数据一起发送给用户。
用户收到数据和签名后，用公钥解密签名得到摘要。同时用户用同样的算法计算出原始数据的摘要，对比计算出来的摘要和解密出来的摘要是否相等，若相等这表示这份数据中途没有被篡改过，因为如果被篡改过，摘要会发生变化。
之所以要有第1步的计算摘要，是因为分对称加密原理限制可加密数据的内容不能太大（不能大于上数n的位数，也就是一般不能大于1024位/2048位），于是若要对任意大的数据签名，就需要改成对他的特征值签名，效果，效果是一样的。
好了，有了非对称加密的基础，知道了数学签名是什么，怎样可以保证一份数据是经过某个地方认证的，来看看怎样通过数字签名的机制保证每一个安装到iOS上的APP都是通过苹果认证允许的。
最简单的签名
要实现这个需求很简单，最直接的方式，苹果官方生成一对公私钥，在iOS里内置一个公钥，私钥由苹果后台保存，我们传App上AppStore时，苹果后台用私钥对App数据进行签名，iOS系统下载这个APP后，用公钥验证这个签名，若签名正确，这个APP肯定是由苹果后台认证的，并且没有被修改过，也就是达到了苹果的需求：保证每个安装的APP都是经过苹果官方允许的。
但实际上因为除了从AppStore下载，我们还可以有三种方式安装一个App：
- 开发App时可以直接把开发中的应用安装进手机进行调试。
- in-house企业内部分发，可以直接安装企业证书签名后的APP。
- ad-hoc相当于企业分发的限制版，限制安装设备数量。
苹果要对这三种方式安装的APP进行控制，就有了新的需求，无法像上面那样简单了。
新的需求
我们先来看第一个，开发时安装APP，他有两个需求：
- 安装包不需要传到服务器，可以直接安装在手机上。如果你编译一个APP到手机前要先传到苹果服务器签名，这显然是不能接受的。
- 苹果必须对这里的安装有控制权，包括：
a. 经过苹果允许才可以这样安装。
b. 不能被滥用导致非开发APP也能被安装。
为了实现这些需求，iOS签名的复杂度也就增加了。
苹果这里给出的方案是使用了双层签名，会比较绕，流程大概是这样的：
- 在你的Mac开发机器生成一对公私钥，这里称为公钥L，私钥L。L：local
- 苹果自己有固定的一对公私钥，跟上面AppStore例子一样，私钥在苹果后台，公钥在每个iOS设备上。这里称为公钥A，私钥A。A：Apple
- 把公钥L传到苹果后台，用苹果后台里的私钥A去签名公钥L，得到一份数据包含了公钥L以及公钥L的签名，把这份数据称为证书。
- 在开发时，编译一个APP后，用本地的私钥L对这个APP进行签名，同时把第三步得到的证书打包到APP里，安装在手机上。
- 在安装时，iOS系统取得证书，通过系统内置的公钥A，去验证证书的数字签名是否正确。
- 验证证书后确保了公钥L是苹果开发认证过的，在用公钥L去验证APP签名，这里就间接验证了这个APP安装行为是否是经过苹果官方允许的。（这里是验证安装行为，不验证APP是否被改动，因为开发阶段APP内容总是不断变化的，苹果不需要管）
加点东西
上述流程只解决了上面第一个需求，也就是需要经过苹果允许才可以安装，还未解决第二个避免滥用的问题。怎么解决呢？苹果再加上两个限制，一是限制在苹果后台注册过的设备才可以安装，二是限制签名只能针对某一个具体的APP。
怎么加呢？在上述第三步，苹果用私钥A签名我们本地公钥L时，实际上除了签名公钥L，还可以加上无限多的数据，这些数据都可以保证是经过批经过官方认证的，不会有被篡改的可能。
可以想到把允许安装的设备ID列表和APP对应的AppID等数据，都在第3步这里跟公钥L一起组成证书，再用苹果私钥A对这个证书签名。在最后第5步验证时就可以拿到设备ID列表，判断当前设备是否符合要求。根据数字签名的原理，只要数字签名通过验证，第5步这里设备IDs/AppID/公钥L就都是经过苹果认证的，没有被修改，苹果就可以限制可安装的设备和APP，避免滥用。
最终流程
到这里这个证书已经变得很复杂了，有很多额外的信息，实际上除了设备IDs/AppID，还有其他信息也需要在这里用苹果签名，像这个APP里iCloud/push/后台运行等权限苹果都想控制，苹果把这些权限开关统一称为Entitlements，它也需要通过签名去授权。
实际上一个“证书”本来就有规定的格式规范，上面我们把各种额外的信息塞入证书里是不合适的，于是苹果另外搞了个东西，叫Provisioning Profile，一个Provisioning Profile里就包含了证书以及上述提到的所有额外信息，以及所有信息的签名。
整个流程稍微变一下，就变成这样了：
因为步骤有小变动，这里我们不辞啰嗦重新列一遍整个流程：
- 在你的Mac上生成一对公私钥，这里称为公钥L，私钥L。L：Local
- 苹果自己有固定的一对公私钥，跟上面AppStore例子一样，私钥在苹果后台，公钥在每个iOS设备上。这里称为公钥A，私钥A。A:Apple
- 把公钥L传到苹果后台，用苹果后台里的私钥A去签名公钥L。得到一份数据包含了公钥L以及公钥L的签名，这份数据称为证书。
- 在苹果后台申请AppID，配置好设备列表和APP可使用的权限，再加上第3步的证书，组成的数据用私钥A去签名，把数据和签名一起组成一个Provisioning Profile文件，下载到本地Mac开发机器上。
- 在开发时，编译完一个APP后，用本地的私钥对这个APP进行签名，同时把第4步得到的Provisioning Profile文件打包进APP里，文件名为embedded.mobileprovison，把APP安装到手机上。
- 在安装时，iOS系统取得证书，通过系统内置的公钥A，去验证embedded.mobileprovison是否正确，里面的证书签名也会再验证一遍。
- 确保了embedded.mobileprovison里的数据都是通过苹果授权以后，就可以取出里面的数据，做各种验证，包括公钥L验证APP签名，验证设备ID是否在IDs列表中，AppID是否对应得上，权限开关是否跟App里的Entitlements对应等。
开发者证书从签名到认证最终苹果采用的流程大致是这样，还有一些细节像证书有效期/证书类型等就不细说了。
概念和操作
上面的步骤对应到我们平常具体的操作和概念大致是这样的： - 第1步对应的是keychain里的“从证书颁发机构请求证书”，这里就本地生成了一对公私钥，保存的CertificateSigningRequest就是公钥，私钥保存在本地电脑中。
- 第2步苹果处理，不用管。
- 第3步对应把CertificateSigningRequest传到苹果后台生成证书，并下载到本地。这是本地有两个证书，一个是第1步生成的，一个是这里下载回来的，keychain会把两个证书关联起来，因为他们公私钥是对应的，在Xcode选择下载回来的证书时，实际上会找到keychain里对应的私钥去签名。这里私钥只有生成它的这台Mac有，如果别的Mac也要编译签名这个APP怎么办？答案是把私钥导出给其他Mac用，在keychain里导出私钥，就会存为.p12文件，其他Mac打开后就导入了这个私钥。
4、第4步都是在苹果网站上操作，配置AppID/权限/设备等，最后下载Provisioning Profile 文件。
5、第5步Xcode会通过第3步下载回来的证书（存着公钥），在本地找到对应的私钥（第1步生成的）去签名APP，并把Provisioning Profile文件命名为embedded.mobileprovision一起打包进去。这里对APP的签名数据保存分两部分，Mach-O 可执行文件会把签名直接写入这个文件里，其他资源文件则会保存在 _CodeSignature 目录下。
第6-7步的打包和验证都是xcode和iOS系统自动做的事。
这里再总结一下这些概念： - 证书：内容是公钥和私钥，由其他机构对其签名组成的数据包。
- Entitlements：包含了APP权限开关列表。
- CertificateSigningRequest：本地公钥。
- p12：本地私钥，可以导入到其他电脑。
- Provisioning Profile：包含了证书/Entitlements等数据，并有苹果后台私钥签名的数据包。
其他发布方式
前面以开发包为例说了签名和验证的流程，另外两种方式In-House企业签名和AD-Hoc流程也是差不多的，只是企业签名不限制安装的设备数，另外需要用户在iOS系统设置上手动点击信任这个企业才能通过验证。
而AppStore的签名验证方式有些不一样，前面我们说到最简单的签名方式，苹果在后台直接用私钥签名APP就可以了，实际上苹果确实是这样做的，如果去下载一个AppStore 的安装包，会发现它里面是没有embedded.mobileprovision 文件的，也就是它安装和启动的流程是不依赖这个文件，验证流程也就更上述几种类型不一样了。
据猜测，因为上传到AppStore的包苹果会重新对内容加密，原来的本地私钥签名就没有用了，需要重新签名，从AppStore下载的包苹果也并不打算控制它的有效期，不需要内置一个embedded.mobileprovision 去做校验，直接在苹果用后台的私钥重新签名，iOS 安装时用本地公钥验证 App 签名就可以了。那为什么发布AppStore的包还是要跟开发版一样搞各种证书和Provisioning Profile？猜测因为苹果想做统一管理，Provisioning Profile 里包含一些权限控制，AppID 的检验等，苹果不想在上传 AppStore 包时重新用另一种协议做一遍这些验证，就不如统一把这部分放在 Provisioning Profile 里，上传 AppStore 时只要用同样的流程验证这个 Provisioning Profile 是否合法就可以了。
所以 App 上传到 AppStore 后，就跟你的证书 / Provisioning Profile 都没有关系了，无论他们是否过期或被废除，都不会影响 AppStore 上的安装包。
到这里 iOS 签名机制的原理和主流程大致说完了，希望能对理解苹果签名和排查日常签名问题有所帮助。
P.S.一些疑问
最后这里再提一下我关于签名流程的一些的疑问。
企业证书
企业证书签名限制比较少，在国内被广泛使用于测试和盗版，fir.im/蒲公英等测试平台都是通过企业证书分发，国内一些市场像pp助手，爱思助手，一部分安装手段也是通过企业证书重签名。通过企业证书签名安装的APP，启动时都会验证证书的有效期，并且不定期请求苹果服务器看证书是否被吊销，若已过期或吊销，就会无法启动APP。对于这种助手的盗版安装手段，苹果想打击只能一个个吊销企业证书，并没有太好的办法。
这里我对疑问是，苹果做了这么多签名和验证机制去限制在iOS安装APP，为什么又要出这样一个限制很少使用的方式让盗版钻空子呢？若真的是企业用途不适合上AppStore，也可以完全在AppStore开辟一个小的秘密板块，还是通过AppStore去安装，就不会有这个问题了。
AppStore加密
另一个问题是我们把App传到AppStore后，苹果会对App进行加密，导致App体积增大不少，这个加密实际上是没什么用的，只是让破解的人要多做一个步骤，运行APP去内存dump出可执行文件而已，无论怎样加密，都可以用这种方式拿出加密前的可执行文件。所以为什么要做这样的加密呢，没有任何好处。
本地私钥
我们前面说的签名流程很绕很复杂，经常出现各种问题，像有Provisioning Profile文件但证书又不对，本地有公钥证书没对应的私钥等情况，不理解原理的情况下会被绕晕，我的疑问是，这里为什么不能简化呢？还是以开发证书为例，为什么一定要用到本地Mac生成的私钥去签名？苹果要的只是本地签名，私钥不一定是要本地生成的，苹果也可以自己生成一对公私钥给我们，放在 Provisioning Profile 里，我们用里面的私钥去加密就行了，这样就不会有 CertificateSigningRequest 和 p12 的概念，跟本地 keychain 没有关系，不需要关心证书，只要有 Provisioning Profile 就能签名，流程会减少，易用性会提高很多，同时苹果想要的控制一点都不会少，也没有什么安全问题，为什么不这样设计呢？能想到的一个原因是 Provisioning Profile 在非 AppStore 安装时会打包进安装包，第三方拿到这个 Provisioning Profile 文件就能直接用起来给他自己的 App 签名了。但这种问题也挺好解决，只需要打包时去掉文件里的私钥就行了，所以仍不明白为什么这样设计。
原文作者：blog/cnbang